超声波清洗机发生装置电路板的设计

苏州工业园区职业技术学院20010-2011-2 医疗器械制造与维护专业

学期项目

（医疗器械实训项目）

项目报告

选题：超声波清洗机的电路设计

学生姓名李成薛超

周莎莉谢欢

班级：机电09305

指导教师：刘骏

机电工程系制

目录

前言 (1)

第一章超声波清洗机的原理 (2)

1.1 超声波清洗机的作用 (2)

1.2超声波的能量作用 (2)

1.3空穴破坏时释放的能量作用 (2)

第二章超声波清洗机发生装置的设计 (3)

2.1超声波清洗的主要设备 (3)

2.2超声波清洗机发生装置电路图设计 (3)

2.3 超声波清洗机发生装置电路图的分析 (4)

2.4超声波清洗机的特点 (4)

第三章超声波清洗器发生装置电路板的制造过程 (5)

3.1 PCB板封装图 (5)

3.2 元件选择 (5)

3.3 电路焊接 (6)

第四章超声波清洗的优势 (6)

4.1清洗效果好 (6)

4.2清洗成本低 (6)

第五章影响超声波清洗效果的因素 (7)

5.1 超声波强度 (7)

5.2 超声波频率 (7)

5.3 清洗溶液的选择 (8)

5.4 清洗的温度 (8)

5.5 驻波的影响 (8)

第六章超声波清洗机技术的新发展 (9)

6.1高频超声清洗 (9)

6.2聚焦式清洗 (9)

6.3多频清洗 (9)

6.4扫频和跳频清洗 (10)

第七章总结 (10)

前言

随着科学技术的高速发展，超声技术已越来越多地应用于人们的生产和生活的各个领域。从超声测厚到超声诊断、治疗，超声波焊接，它已为人们所熟悉。但超声设备在清洗行业的应用，人们还不够熟悉和了解。

超声波清洗技术最早出现于20世纪30年代早期，当时，位于美国新泽西州的美国无线电公司的一个实验室中的技术人员尝试用自制的简陋超声波清洗系统清洗某些物体，但试验未获成功。在此基础上，超声波清洗技术在20世纪50年代有了很大的发展，当时使用的超声波工作频率在20~40KHZ之间。该范围内的超声波被应用在数千种不同的工作场合之下，其中许多是别的清洗手段不能很好发挥作用的场合。超声波可以对工件施加非常巨大的能量，尤其适用于清除牢固地附着在基地上的污垢。然而在某些情况下，超声波强大的能量也会损伤粘有污垢而性质脆弱的基底材料。在过去的十几年中，超声波领域中出现了一些技术革新，提高了清除敏感基底上的污物的安全系数。在此期间，超声波技术，特别是中高频超声波清洗机技术有了新的发展，并成为行业的亮点。近年来，人们发现用兆声波（根据超声波的频率不同，把40kHZ及其以下的称为常规或低频超声波，把1000kHZ以上的称为高频超声波，又称兆频超声波，简称兆声波）清洗可以去除掉半导体材料表面上的超细污垢微粒，并且不会损伤基地材料的表面。目前这项技术已经得到了很快的普及。

第一章超声波清洗机的原理

1.1 超声波清洗机的作用

超声波作用包括超声波本身具有的能量作用，空穴破坏时放出的能量作用以及超声波对媒液的搅拌流动作用等。

1.2超声波的能量作用

超声波具有很高的能量，它在传媒液体中传播时，把能量传递给传媒质点，传媒质点再将能量传递到清洗对象物表面并造成污垢解离分散。声波是一种纵波，即传媒质点的振动方向与波的传播方向一致。在纵波传播过程中，传媒质点运动造成质点分布不匀，出现疏密不同的区域，在质点分布稀疏区域声波形成负声压，在分布致密区域声波形成正声压，并形成负声压、正声压的交替连续变化，这种变化不仅使传媒质点获得一定动能而且获得一定加速度。高频超声波的能量作用是异常巨大的。在具有能量的传媒质点与污垢粒子相互作用时，把能量传递给污垢并造成它们的解离分散。

1.3空穴破坏时释放的能量作用

超声波在媒液中传播是直线运动方式。运动速度与媒液有关，在不同媒液中传播速度不同，超声波的频率比通常的声波频率高，所以波长短，能量高。在媒液中直线前进的超声波，到达与其它物质的界面时，要发生透射和反射运动，发生透射与反射的程度是由构成界面物质的声阻抗率决定的，声阻抗率是传声媒质某一给定表面的声压与质点速度之比。各种传声媒质都有固定的声阻抗率。当超声波行进到声阻抗率相差很大的两种媒质的界面时，主要发生反射，而在声阻抗率相近的两种媒质的界面上主要发生透射。如当超声波行进到水－空气界面时，由于空气密度远小于水，因此声阻抗率也相差较远，所以此时声波主要发生反射；同样超声波行进到水－钢铁界面时，由于两种媒质之间声阻抗率相差很大，所以主要也发生反射。而当超声波行进到水－塑料界面时，由于两种媒质之间声阻抗率相近，所以超声波主要发生透射。反射回来的超声波与前进中的超声波合成后，当每一点的位相差保持稳定不变时，发生共振，而在某些固定位置上相互叠加而加强，媒液在这些位置上容易产生空穴。

第二章超声波清洗机发生装置电路板的设计

2.1超声波清洗的主要设备

超声波清洗设备主要由发生装置、换能器和清洗槽三部分组成。发生装置即电源，产生电磁振荡信号并提供能量；换能器即振板，是超声清理的关键部分，它把发生装置产生的电磁振动转换成换能器本身的超声振动，并传入清洗槽中产生空化作用，通常置于槽底部；清洗槽用来容纳清洗液及待清洗的工件。

2.2超声波清洗机发生装置电路图设计

图1 超声波清洗机发生装置电路图

2.3 超声波清洗机发生装置电路图的分析

由图1可见，二极管D7，D8与二极管D9，D10是相互串联在一起的，二极管的特点是单向导通，这里之所以串联在一起是因为防止内压过高从而导致二极管击穿。而二极管D1和D3在电路中称为续流二极管，两个续流二极管并联在线圈K1和K2的两端，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。当反向电压高于原件的反向击穿电压时，会把元器件造成损坏。续流二极管并联在线圈两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。丛而保护了电路中的其它原件的安全。电容C9与C6在电路中起到了阻直流通交流的作用。电流通过这两个电容再流到变压器进行变压。光电耦合器IC1和IC2在电路中起到了阻断信号源跟信号接收方的电气连接的作用。电路图下部分都是起到滤波的作用。型号KLB608称为桥堆，其实就是桥式整流器的组合。电解电容C1,C2，C3和电容C4都起到了滤波的作用，不同的是C1,C2，C3是对低频信号进行滤波而C4是对中频信号进行滤波。

2.4超声波清洗机的特点

1.面板设有输出强度条形装置，也有独特的频率和输出强度交替数字显示装置可选配；

2.设有强度可调的扫频功能，以不断改变清洗槽中的声场分布，避免工件表面的线状空化蚀刻纹路的产生，也使工件表面的污物迅速脱落，提高清洗效果；

3.设有功率调节功能，采用先进的功率调节线路，实现超声功率无级平滑调节，克服了通过调节频率来间接的调节功率这种传统方法所带来的诸多弊病；

4.具有防共震功能，克服了传统发生装置在工件表面易产生纹路而损坏工件，也避免了因因空化而击穿槽体的缺点；

5.具有排斥污垢功能，使污垢迅速脱离工件浮于表面，适合于溢流循环方式清洗。

6.具有过热保护功能，能够很好的保护发生装置不被损坏。

第三章超声波清洗器发生装置电路板的制造过程

3.1 PCB板封装图

图2 超声波清洗机发生装置电路PCB板封装图

3.2 元件选择

为了制作超声波清洗机发生装置的电板，我们的第一步必须要找到所有的元器件，在这期间，我们发现，它的品种繁多，千差万别，很难找齐全，我们便通过各种元器件的并联，串联以及各种三极管的替代来进行各项搭配，最终使之完成，下面来介绍一下我们所用到的元器件，以及各种元器件的组合。

需要元件：变压器（3个）；二极管：型号1N915（5个）型号1N4003（1个）和2个发光二极管；电容：5个1uF，2个1000uF，1个470uF，1个0.01F；2个NPN三极管；2个继电器；2个光电耦合器；2个电感；电阻：4个10K欧姆，4个0.33K欧姆，2个68K欧姆，2个3.3K欧姆。

3.3 电路焊接

注意事项：

送锡：在送锡的过程中，我们要了解不能将锡送成一条直线，而是一个点一个点，这样做的优点在于，一方面不易使锡将插点给封闭住，另一方面，也可以减少锡的浪费。

第四章超声波清洗的优势

4.1清洗效果好

运用于工业清洗的清洗方式一般为人工清洗,有机溶剂清洗，蒸汽气相清洗，高压水射流和超声波清洗机。超声波清洗被国际公认为是当前效率最高，效果最好的清洗方式，其清洗率达到了98%以上，清洗清洁度也到达了最高级别。而传统的人工清洗和有机溶剂清洗的清洗效率仅仅为60%~70%，即使是气相清洗和高压水射流清洗的清洗效率也低于90%。不论工件形状多复杂，将其放入清洗液内，只要是能接触到液体的地方，超声波的清洗作用都能达到。尤其是对于形状和结构复杂，人工及其它清洗方式不能完全有效的进行清洗的工件，具有显著的效果。清洗时液体内产生的气泡非常均匀，工件的清洗效果也非常理想。超声波清洗机可根据溶剂的不同达到不同的效果，如：除油，除绣或磷化。配合清洗剂的使用，加速污染物的分离和溶解，可有效防止清洗液对工件的腐蚀。

4.2清洗成本低

在所有清洗方式中，清洗成本大体为：设备成本和消耗成本。超声波清洗设备使用寿命约为十年，设备购置成本高于人工清洗和有机碱性溶剂刷洗，低于气相清洗和高压水射流清洗，对于消耗成本，以有效尺寸为600×400×350立方毫米，功率为kW，价格约为1万元的超声波清洗机为例，耗电1kW·h约为0.5元；碱性金属清洗剂1kg,价格约为20元，可反复使用20～50h(根据污染程度而定），相当于0.4～1元／h，而一般工件清洗时间仅3～15min即可，且一次清洗可对一定数量及体积的工件同时清洗，因此对于消耗成本而言，采

用超声波清洗，不仅清洗效果最好，而且清洗成本相当于不要0.04元／件，还不算节省的劳动力成本，远远低于其他各类清洗方法。

4.3避免劳动损伤

以往在肮脏的环境中通过繁重的体力劳动，需要长时间地进行手工清洗的复杂机械零件，应用了超声波清洗机以后，不仅改善了劳动环境，杜绝了手工清洗对工件产生的伤害，减轻了劳动强度，而且在大幅提高清洗精度的基础上，清洗时间缩短为原来的四分之一。超声波清洗还可有效地降低污染，减少有毒溶剂对人类的损害。

第五章影响超声波清洗效果的因素

5.1 超声波强度

即单位面积的超声功率。超声清洗的效果好坏取决于空化作用，但空化作用的产生与超声波强度有关，在通常情况下，在单位面积超过0.3W超声功率时（输入电功率为1W）。超声波强度越大，空化作用越明显，清洗作用越好。另外，根据不同的清洗对象，选择适当的超声波强度，如清洗电路板时超声强度可低些，清洗机械零件时超声波强度可高些。

5.2 超声波频率

空化作用还与超声波频率有关，空化的产生存在着一个最小的临界幅度，即空化是随着频率的升高而降低的。目前超声波清洗机的工作频率根据清洗对象，大致分为三个频段：低频超声清洗（20~50kHz）高频超声清洗（50~200kHz）和兆赫超声清洗（700~1000kHz）。低频超声清洗适用于大部分表面或者污物和清洗表面结合强度的场合；高频超声波清洗适用于计算机﹑微电子原件的精细清洗。如磁盘﹑驱动器﹑读写头﹑液晶玻璃及平面显示器微组件和抛光金属件等的清洗：兆赫超声清洗适用于集成电路芯片﹑硅片及薄膜等清洗。

5.3 清洗溶液的选择

清洗济的选择要从两个方面考虑，一方面要从污物的性质来选择化学作用效果好的清洗机：另一方面要选择表面张力﹑蒸汽压及粘度合适的清洗剂。因为这些特性与超声空化强弱有关。液体的表面张力大则不容易产生空化，但是当声强超过空化阈值时，空化泡崩溃释放的能量也大，有利于清洗。高蒸汽压的液体会降低空化强度，而液体的粘滞度大也不容易产生空化，因此蒸汽压高和黏度大的清洗剂都不利于超声清洗。

5.4 清洗的温度

清洗温度升高时，对空化的产生有利，但是温度过高气泡中的蒸汽压增大，空化强度会降低，所以温度的选择要考虑对空化强度的影响也要考虑清洗液的化学清洗作用。每一种液体都有一空化活跃的温度，水较适宜的温度是60度左右，此时空化最活跃。

5.5 驻波的影响

清洗槽是有限空间，超声波由声源向液面传播时，在液体的气体的交界面会反射回来而形成驻波。驻波的特征是在液体空间的某些地方声压最小，而在另外一些地方声压最大，这样会造成清洗不均匀的现象。要减少驻波的影响有时清洗槽特意做成不规则的形状以避免驻波的形成。有时在超声电源方面采取扫频的方式，使声压最小处不固定在一个地方，而是不断地移动以达到较均匀的清洗。

第六章超声波清洗机技术的新发展

经过几十年来的理论探讨和应用研究，无论在设备还是在工艺上均取得了较大的发展，有关单位相继研发了一大批新的产品，也制订出了一些先进典型的清洗工艺。

6.1高频超声清洗

对于像硅片表面小至零点几微米的超微污物粒子，常规的超声波清洗机器无能为力，即使增加功率密度也无济于事。近来发展了一种兆赫兹级的高频超声清洗技术，由于频率高，空化效应已不起作用，因此清洗的关键不是气泡，是高频压力波的擦洗作用，其对污物的去除率接近百分百。高频清洗近来发展较快，主要用于超大规模集成电路芯片上的污物清洗，以及硅晶片、陶瓷、光掩模等特种污物的清洗。

6.2聚焦式清洗

对于像纺织行业的喷丝板、过滤器之类微孔物件的清洗，常规的超声清洗效果十分不理想，声强达不到要求，而采用机械扫描聚焦式超声清洗，喷丝板微孔中的污物脱离则十分明显。聚焦式清洗要求达到高的声强，目前选用的频率以低频为主，常用20kHZ和15kHZ两种频率，个别的频率也有28kHZ的，其电功率在连续波情况下一般为500~700W，间隙脉冲工作状态下，功率可高一些。

6.3多频清洗

即在一只清洗槽中，安装有两种或三种以上不同频率的换能器，由多只发生装置分别推动各自频率的换能器。我们知道，清洗器工作频率高时，在液体中空化强度低而空化密度大，

而工作频率低时则相反。低频超声波的强度高，对物体表面清洗有利，高频超声波空化密度高，冲击波能穿达凹槽、细缝、深孔等细微结构。同时缸中有多种频率的超声波，也克服了单频清洗驻波场造成的清洗不均匀问题。

6.4扫频和跳频清洗

扫频和跳频清洗都是为了改善槽中的声场结构，前者解决了槽中的不均匀驻波场，使清洗均匀。而跳频和多频一样兼顾到高低频清洗，不同的是跳频用的是一个换能器和一个发生装置，其换能器本身有两个谐振频率，在第一谐振点宽带内作连续的频率变化，然后跳到另一宽带内进行扫频清洗，是高低频交替进行清洗。

第七章总结

这次项目设计的圆满的完成，得益于老师的指导和小组成员的辛勤努力，通过在网络上搜索相关资料，老师的解答和同学之间的相互讨论交流解决了很多问题。就例如操作protel 软件,我们这一小组遇到了很多的问题，但不管怎么样，我们还是完成了任务。

在整个项目制作过程中，我们首先要感谢我们的指导老师刘老师，没有刘老师的不辞辛苦的解答与帮助，仅凭我们的知识是很难圆满这次项目的。在老师的帮助下，我们弄懂了很多关于超声波清洗机的原理，这些在我们制作项目中起了很大的作用。

任何的付出终究是有回报的，我相信我们这一小组的项目将会得到满意的结果。